CN104733837A - 一种天线和天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线技术领域，公开了一种天线和天线系统，该天线包括：偶极子天线，该偶极子天线包括两个偶极子，每个偶极子包括相互连接的至少两个天线臂；其中，所述至少两个天线臂中的第一天线臂为1/4工作波长，所述至少两个天线臂中的第二天线臂的长度小于所述第一天线臂的长度，所述至少两个天线臂同向并且平行设置。本发明通过天线的天线臂能够带来高增益高带宽的偶极子天线，其增益效果可以达到9dB以上，且制作简单，成本低廉。

Description

一种天线和天线系统

技术领域

本发明涉及天线技术，具体地，涉及一种天线和天线系统，尤其涉及一种能够带来高增益的天线结构。

背景技术

在无线通信领域，随着用户环境越来越复杂，用户对信息传输速率的要求也越来越高，在这种情况下，需要一种既能够满足带宽要求，又能够提供足够高的增益的天线。

要实现天线的高增益的方法有很多，如喇叭天线和波导缝隙天线等的增益都非常高，这种天线都不适于无线接入点(AP)这种小型化的设备，此外，这些天线安装复杂，制作成本高。一般情况下，类似AP的这种小型化设备通常采用以微带线的形式在印刷电路板(PCB板)上制作半波偶极子天线的方法，而目前常用的设计方法是通过增加反射臂的方式来实现高增益。然而，这种增加反射臂的方式可以使天线的增益达到4dB左右，但是这种增益效果远不能满足对天线的高增益的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种天线和天线系统，用于实现天线的高增益。

为了实现上述目的，本发明提供了一种天线，包括：偶极子天线，该偶极子天线包括两个偶极子，每个偶极子包括相互连接的至少两个天线臂；其中，所述至少两个天线臂中的第一天线臂为1/4工作波长，所述至少两个天线臂中的第二天线臂的长度小于所述第一天线臂的长度，所述至少两个天线臂同向并且平行设置。

优选地，所述至少两个天线臂包括N个天线臂，第i天线臂的长度小于或等于第i-1天线臂的长度，所述第i-1天线臂设置于第i-2天线臂与所述第i天线臂之间；其中，i为大于或等于3且小于或等于N的整数，N为大于或等于3的整数。

优选地，N＝3或4。

优选地，所述两个偶极子中的一个偶极子的第一天线臂具有一伸出部分，所述两个偶极子中的另一个偶极子的第一天线臂具有一凹陷部分，所述两个偶极子中的一个偶极子的第一天线臂的所述伸出部分延伸至所述两个偶极子中的另一个偶极子的第一天线臂的所述凹陷部分。

优选地，所述伸出部分和所述凹陷部分分别位于所述两个偶极子的端部。

优选地，所述天线为微带线天线。

本发明还提供了一种天线系统，该系统包括：至少一个以上描述的天线。

优选地，该系统还包括第一反射板和/或第二反射板；其中，在所述至少一个天线的每个天线两侧分别设置所述第一反射板，以使得天线的侧向辐射通过第一反射板反射向前方；和/或在所述至少一个天线的后方设置所述第二反射板，以使得天线的后向辐射通过第二反射板反射向前方。

优选地，在所述至少一个天线为两个或更多天线的情况下，所述两个或更多天线沿天线所在的平面上的周角角平分线设置，相邻两个天线之间的夹角相同。

优选地，在所述至少两个天线中每相邻的两个天线之间设置一个所述第一反射板。

通过上述技术方案，本发明通过天线的天线臂能够带来高增益高带宽的偶极子天线，其增益效果可以达到9dB以上，且制作简单，成本低廉。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的半波偶极子天线的示意图；

图2是本发明提供的微带线的示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的具有两个天线臂的天线的示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的具有三个天线臂的天线的示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的具有四个天线臂的天线的示意图；

图6是本发明以示例的方式提供的图5所示的天线结构的尺寸的示意图；

图7是本发明提供的天线系统的示意图；

图8是本发明提供的将天线载板设置在地板上的立体图；

图9是本发明提供的采用本发明提供的天线的辐射方向图；

图10是本发明提供的采用本发明提供的天线的E面辐射图；

图11是本发明提供的采用本发明提供的天线的H面辐射图；以及

图12是本发明提供的采用本发明提供的天线的回波损耗示意图。

附图标记说明

201 导线       202 PCB板

203 地平面       301 302 偶极子

701 天线载板      702 天线

703 第一反射板     704 第二反射板

705 穿线孔       706 馈线

707 固定部分  801 支撑板

802 地板

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在介绍本发明之前，首先介绍一下与本发明有关的技术背景。

1、天线

天线是一种把高频电流转化成无线电波发射到空间中，同时可以收集空间无线电波并产生高频电流的装置。

2、半波偶极子天线

半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线构成，每根直导线的长度为1/4个工作波长λ，也就是说，半波偶极子天线的总长为半个波长。半波偶极子天线的馈点在两根直导线之间，一般情况下，要求直导线的直径远小于波长λ，两根直导线之间的距离远小于波长λ，半波偶极子天线的示意图如图1所示。

3、微带线

微带线是20世纪50年代发展起来的一种微波传输线，如图2所示，导线201位于PCB板202的表面，在该PCB板202的下方为地平面203。

4、馈线

连接天线与高频电流能量收发装置的导线称为馈线。馈线与天线的连接点为馈电点。

5、辐射方向图

天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力，天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示，方向图可以用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形称为辐射方向图。

辐射方向图可由3D图、E面和H面辐射图组成。其中，E面是指包含XY平面的面，H面是指垂直于XY面的面。

6、回波损耗

回波损耗是指天线在一定的频率下，其自身的阻抗值与50欧姆阻抗之间的差值，具体计算方法如下：

${\mathrm{RL}}_{\mathrm{dB}}=20\·{\log }_{10}\left|\frac{50-Z}{50+Z}\right|$

其中RL_dB为回波损耗，Z为天线自身阻抗。

7、天线带宽

天线带宽是指天线满足回波损耗小于-10dB的频率范围。

8、天线增益

天线增益是指天线将输入功率按照特定方向辐射的能力，一般以dB值为单位，表示输入功率按照特定方向辐射的辐射强度与输入功率按照全方向辐射的辐射强度之比。

9、FR4板材

FR4板材是一种耐燃材料等级的代号，其代表树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格，不是一种材料名称，而是一种材料等级。目前一般PCB板所用的FR4等级材料就有非常多的种类，但多数都是以所谓的四功能(Tera-Function)的环氧树脂加上填充剂以及玻璃纤维所做出的符合材料。

根据本发明的一个方面，提供了一种天线，该天线包括偶极子天线，该偶极子天线包括两个偶极子，每个偶极子包括相互连接的至少两个天线臂，其中，至少两个天线臂中的第一天线臂为1/4工作波长λ，至少两个天线臂中的第二天线臂的长度小于第一天线臂的长度，该至少两个天线臂同向并且平行设置。在下文中，将结合附图对具有两个天线臂的天线、具有三个天线臂的天线和具有四个天线臂的天线进行阐述，当然，本发明不限于此，只要能够提高天线增益，任意数量的天线臂均在本发明的保护范围之内。

这里的一个偶极子与以上描述的半波偶极子天线中的一个直导线等同，也就是说，这里的一个偶极子为以上描述的半波偶极子天线中的一个直导线的变型。本领域技术人员应当理解的是，本发明提供的偶极子天线中的两个偶极子之间具有一通道，相当于半波偶极子天线中的两个直导线之间的间隔。

图3是本发明具体实施方式提供的具有两个天线臂的天线的示意图，图3所示的天线包括两个偶极子301和302，每个偶极子包括相互连接的至少两个天线臂，为了使天线的辐射方向为前向辐射，在每个偶极子包括两个天线臂的情况下，第一天线臂比第二天线臂长，其中，该第一天线臂的长度为1/4工作波长λ。具体来说，以图3所示为例，偶极子301包括两个天线臂，如图3所示，偶极子301的第一天线臂的长度为D11，偶极子301的第二天线臂的长度为D12，偶极子302的第一天线臂的长度为D21，偶极子302的第二天线臂的长度为D22，偶极子301的第一天线臂(图3中所示的偶极子301的左侧的天线臂)的长度比偶极子301的第二天线臂(图3中所示的偶极子301的右侧的天线臂)的长度长，偶极子302包括两个天线臂，偶极子302的第一天线臂(图3中所示的偶极子302的左侧的天线臂)的长度比偶极子302的第二天线臂(图3中所示的偶极子302的右侧的天线臂)的长度长。如图3所示，在两个偶极子之间具有一通道，也就是说两个偶极子不相互连接。

应当理解的是，本发明是基于偶极子天线而设计的，因而也具有以下偶极子天线的特性：分别位于两个偶极子中的第一天线臂的长度相同，分别位于两个偶极子中的第二天线臂的长度相同，并且在下文中描述的图4和图5中，分别位于两个偶极子中的第三天线臂的长度相同，及分别位于两个偶极子中的第四天线臂的长度相同。

两个偶极子之间的通道可以为直线型，然而，为了提高天线的增益，可以对该通道进行变型，如图3所示，该通道可以为Z字型。具体来说，两个偶极子中的一个偶极子的第一天线臂具有一伸出部分，两个偶极子中的另一个偶极子的第一天线臂具有一凹陷部分，两个偶极子中的一个偶极子的第一天线臂的伸出部分延伸至两个偶极子中的另一个偶极子的第一天线臂的凹陷部分。以图3为例进行说明，偶极子302(图3中为下侧的偶极子)的第一天线臂具有一伸出部分，相应地，偶极子301(图3中为上侧的偶极子)的第一天线臂具有一凹陷部分，偶极子302的第一天线臂的伸出部分延伸至偶极子301的第一天线臂的凹陷部分。本领域技术人员应当理解，两个偶极子301和302之间的通道的宽度远小于工作波长λ，并且，从图3中可以看出，以上所描述的伸出部分和凹陷部分可以分别位于两个偶极子的端部，并且该伸出部分的宽度W1应小于偶极子302的第一天线臂的宽度W2，偶极子301的凹陷部分与该伸出部分相匹配。

其中，可以将偶极子301与馈线信号线连接，将偶极子302与馈线地线连接。例如，可以将图3中的a点作为馈线信号线焊接点，将图3中的b点作为馈线地焊接点。

应当理解的是，以上描述的至少两个天线臂所包含的天线臂的数量可以为大于2的任意数值，然而，为了使天线的辐射方向为前向辐射，在每个偶极子的天线臂的数量为N(N为大于或等于3的整数)的情况下，第i天线臂的长度小于或等于第i-1天线臂的长度，且第i-1天线臂设置于第i-2天线臂与所述第i天线臂之间；其中，i为大于或等于3且小于或等于N的整数。当然，分别位于两个偶极子中的第N天线臂的长度相同。

下面以具有三个天线臂(即N＝3)和四个天线臂(即N＝4)的情况为例进行具体阐述。

图4是本发明具体实施方式提供的具有三个天线臂的天线的示意图，如图4所示，本发明提供的天线的每个偶极子均包括三个天线臂，其中为了使天线的辐射方向为前向辐射，第三天线臂的长度小于或等于第二天线臂的长度(图4中示出的是第二天线臂与第三天线臂的长度相同的情况)，并且第二天线臂设置于第一天线臂和第三天线臂之间。以图4示出的示例进行说明，也就是，图4所示的天线的每个偶极子均分别包括三个天线臂，具体来说，图4中每个偶极子的最左边的天线臂为第一天线臂，图4中每个偶极子的最右边的天线臂为第三天线臂，图4中每个偶极子的中间的天线臂为第二天线臂。

图5是本发明具体实施方式提供的具有四个天线臂的天线的示意图，在图4所示的天线结构的基础上，图5所示的天线的每个偶极子均还包括第四天线臂，为了使天线的辐射方向为前向辐射，该第四天线臂的长度小于或等于第三天线臂的长度，且第三天线臂设置于第二天线臂和第四天线臂之间。以图5示出的示例进行说明，也就是，图5所示的天线的每个偶极子均分别具有四个天线臂，以图5为例，从左至右分别为第一至第四天线臂，其中，第一至第三天线臂的结构与图4所示的天线结构类似，第四天线臂位于第三天线臂的右侧(以图5所示为例)。

图6是本发明以示例的方式提供的图5所示的天线结构的尺寸的示意图，如图6所示，每个偶极子的第一天线臂的长度d1为8.7mm(即为1/4工作波长)，第二天线臂和第三天线臂的长度d2为5.2mm，第四天线臂的长度d3为4.4mm，每相邻两个天线臂之间的间隔d4为2.5mm，连接四个天线臂的连接线的宽度d5为2.2mm，两个偶极子之间的通道的宽度d6为1mm，偶极子302的伸出部分的长度d7为3.5mm，该伸出部分的宽度d8为2mm，第一天线臂的宽度d9为4.5mm，第二天线臂的宽度d10为4.2mm(这里第一天线臂和第二天线臂的宽度仅仅为示例的宽度，第一天线臂的宽度和第二天线臂的宽度可以根据需要进行设置)。本领域技术人员应当理解，图6所示的尺寸仅仅是示出了一种实施方式，本发明不限于此，其他能够提高增益的天线结构均在本发明的保护范围之内。

此外，本发明提供的天线可以以微带线天线的形式存在，当然，能够实现本发明提供的天线结构的其他形式的天线也在本发明的保护范围之内。

根据本发明的另一方面，还提供了一种天线系统，该系统包括至少一个上述描述的天线。该至少一个天线可以以微带线的形式设置在天线载板(本发明中的天线载板可以为PCB板)上，虽然本发明以天线载板为例进行说明，但是本发明中的天线也可以以其他形式形成，例如用铁丝制作成本发明中描述的天线的形状。可以根据对辐射方向的要求来调整天线的设置方向。

此外，本发明提供的系统还可以包括第一反射板和/或第二反射板。其中，第一反射板设置如下：在至少一个天线的每个天线两侧分别设置第一反射板，以使得天线的侧向辐射通过第一反射板反射向前方。其中，第二反射板设置如下：在至少一个天线的后方设置第二反射板，以使得天线的后向辐射通过第二反射板反射向前方。该第一反射板和第二反射板可以以微带线的形式设置在天线载板上，当然也可以以其他形式形成，例如用铁丝制作成本发明中描述的第一反射板和第二反射板的形状。

这里并未限定第一反射板和第二反射板的形状，但是本领域技术人员应当理解，第一反射板应当能够实现将天线的侧向辐射反射向前方，第二反射板应当能够实现将天线的后向辐射反射向前方。

此外，为了减少第一反射板的数量，可以在至少两个天线中每相邻的两个天线之间设置一个第一反射板(例如，可以设置在相邻的两个天线形成的夹角的角平分线上)，以使得天线的数量与第一反射板的数量相同，下面以四个天线为例进行阐述。

以下图7和图8以将天线、第一反射板和第二反射板以微带线的形式设置在天线载板上为例对本发明进行进一步阐述。

图7是本发明提供的天线系统的示意图，图7示出了具有四个天线的情况，并且天线载板701为圆形的天线载板(天线载板的形状不限于圆形，也可以为方形等其他形状)。如图7所示，以上所描述的至少两个天线为四个天线702，该四个天线702沿天线载板701上相互垂直的中心线设置，也就是说，各个天线702在整个天线的长度方向上沿天线载板701(这里的天线载板701即为天线所在的平面)上相互垂直的中心线设置(即，沿天线所在的平面上的周角角平分线设置)。

为了更好地将天线702的侧向辐射反射向前方，可以在至少两个天线的两侧共设置四个第一反射板703(也就是在四个天线中每相邻的两个天线之间设置一个第一反射板)，该四个第一反射板703分别沿天线载板701上相互垂直的中心线的角平分线设置(即，沿四个天线702中每相邻的两个天线之间的角平分线设置)。另一方面，为了更好地将天线的后向辐射反射向前方，设置在天线载板701上的第二反射板704可以呈十字型(应当理解，如果仅具有两个天线，在这两个天线相互间呈180°(一般为背对背设置)的情况下，第二反射板704可以呈一字型地设置在两个天线之间，即同时设置在两个天线的后方，以将天线的后向辐射反射向前方)，该第二反射板呢704设置在天线载板701上相互垂直的中心线的中心位置，该第二反射板704的中心线与天线载板701上相互垂直的中心线重叠。具体设置可参见图7所示。

如图7所示，在天线载板701上设置了四个天线702、四个第一反射板703和一个第二反射板704。四个天线702沿天线载板701上相互垂直的中心线设置，本领域技术人员应当理解，这里的天线载板701上相互垂直的中心线并非是物理存在的线，而仅仅是为了描述上的清楚，这里所要描述的是四个天线702在长度方向上两两相互垂直的结构，这四个天线702沿天线载板701上假定的相互垂直的中心线设置。在此基础上，四个第一反射板703分别沿天线载板701上该假定的相互垂直的中心线的角平分线设置，也就是说，四个天线702在其长度方向上两两垂直，即90°，四个第一反射板703也沿其长度方向上两两垂直，即90°，四个天线702与四个第一反射板703间隔设置，并且间隔角度为45°。此外，对于第二反射板704，在四个天线702沿天线载板701上假定的相互垂直的中心线设置的基础上，该第二反射板704设置在天线载板701上假定的相互垂直的中心线的中心位置，且该第二反射板704的中心线与天线载板701上假定的相互垂直的中心线重叠。具体设定结构参见图7。对于第二反射板704，可以通过调整第二反射板704的长度来调整天线的驻波。

此外，本领域技术人员应当理解，可以在天线载板701上设置穿线孔705，图7中对应四个天线702分别设置了四个穿线孔705，以便于分别将馈线706连接至天线，这里出于简要的目的，仅在一个天线上标识出了馈线，实际上，四个天线均具有连接至其的馈线706。

在图7所示的天线系统中，四个天线702可以分别负责一个方向的辐射(从而形成全向天线)，四个穿线孔705可以保证相应的馈线706能够穿过天线载板701连接到地板(将在图8中示出)上的功率输入电路(图中未示出)。

图8是本发明提供的将天线载板设置在地板上的立体图，如图8所示，可以通过支撑板801将天线载板701固定在地板802上。需要说明的是，为了固定支撑板801，与支撑板801相连(或与支撑板801一体成型)的固定部分707需要穿过天线载板701以将支撑板801与天线载板701固定在一起。当然，本发明不限于此，任何可以将支撑板801与天线载板701固定在一起的方式均在本发明的范围之内。

以上以天线系统包括四个天线为例对本发明进行了阐述，当然，本发明不限于此，在本发明提供的天线系统包括两个或更多天线的情况下，两个或更多天线可以沿天线所在的平面上的周角(即360°的角)角平分线设置，相邻两个天线之间的夹角相同。具体来说，在天线系统包括两个天线的情况下，该两个天线可以在天线所在的平面对称分布(一般情况下，两个天线即满足轴对称，也满足中心对称)，参见图7，在图7中包括了上侧、下侧、左侧、右侧四个天线的情况下，这里对称分布的两个天线可以为图7中的上侧天线和下侧天线，或者可以为图7中的左侧天线和右侧天线。在天线系统包括三个天线的情况下，该三个天线沿天线所在的平面上的周角角平分线设置，角平分线之间的夹角为120°。当然，本发明不限于此，本领域技术人员应当理解，天线的设置方向影响的是天线的收发方向，因而，无论天线系统中具有多少个天线，各个天线的设置方向均可以根据需要设置，而不一定要沿天线所在的平面上的周角角平分线设置。

根据本发明提供的天线的仿真辐射图如图9至图12所示。其中，图9是本发明提供的采用本发明提供的单个天线的辐射方向图，图10是本发明提供的采用本发明提供的天线的E面辐射图，图11是本发明提供的采用本发明提供的天线的H面辐射图，图12是本发明提供的采用本发明提供的天线的回波损耗示意图，如图12所示，天线增益可以达到9.21dB，天线的回波损耗在4.9GHz到5.9Ghz范围内满足小于-10dB的要求。需要说明的是，图9至图12示出的是本发明提供的天线(即，单个天线)的仿真辐射图，而非本发明提供的天线系统(包括至少两个天线)的仿真辐射图。

本发明通过半波偶极子天线的特点，在4.9GHz-5.9GHz频带范围内实现了高达9dB以上的增益，为当前日益复杂的电磁环境提供了可靠的天线解决方案。此外，天线可以以微带线的形式在FR4板材制作而成的天线载板上实现，成本低，制作简单。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。并且，为了使附图更加简洁，对于重复的部件(如图7和图8中的天线、接线孔等)未进行标注。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种天线，其特征在于，包括：

偶极子天线，该偶极子天线包括两个偶极子，每个偶极子包括相互连接的至少两个天线臂；

其中，所述至少两个天线臂中的第一天线臂为1/4工作波长，所述至少两个天线臂中的第二天线臂的长度小于所述第一天线臂的长度，所述至少两个天线臂同向并且平行设置。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述至少两个天线臂包括N个天线臂，第i天线臂的长度小于或等于第i-1天线臂的长度，所述第i-1天线臂设置于第i-2天线臂与所述第i天线臂之间；其中，i为大于或等于3且小于或等于N的整数，N为大于或等于3的整数。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，N＝3或4。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述两个偶极子中的一个偶极子的第一天线臂具有一伸出部分，所述两个偶极子中的另一个偶极子的第一天线臂具有一凹陷部分，所述两个偶极子中的一个偶极子的第一天线臂的所述伸出部分延伸至所述两个偶极子中的另一个偶极子的第一天线臂的所述凹陷部分。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述伸出部分和所述凹陷部分分别位于所述两个偶极子的端部。

6.根据权利要求1-5任一项所述的天线，其特征在于，所述天线为微带线天线。

7.一种天线系统，其特征在于，该系统包括：

至少一个如权利要求1至6中任一项权利要求所述的天线。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，该系统还包括第一反射板和/或第二反射板；

其中，在所述至少一个天线的每个天线两侧分别设置所述第一反射板，以使得天线的侧向辐射通过第一反射板反射向前方；和/或在所述至少一个天线的后方设置所述第二反射板，以使得天线的后向辐射通过第二反射板反射向前方。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在所述至少一个天线为两个或更多天线的情况下，所述两个或更多天线沿天线所在的平面上的周角角平分线设置，相邻两个天线之间的夹角相同。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，

在所述至少两个天线中每相邻的两个天线之间设置一个所述第一反射板。